экранированное электромеханическое устройство и массовый расходомер кориолисова типа (варианты)

Формула изобретения

1. Экранированное электромеханическое устройство для использования в массовом расходомере кориолисова типа для взаимного преобразования механической и электрической энергии, содержащее ближний конец и дальний конец, узел обмотки, соединенный с указанным дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла, причем указанный экранирующий узел включает ближний экран, прикрепленный к указанному ближнему концу, и дальний экран, прикрепленный к указанному дальнему концу, отличающееся тем, что один из указанных экранов приспособлен так, чтобы входить внутрь другого из указанных экранов и перемещаться относительно него.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный экранирующий узел содержит магнитопроницаемый материал.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанный экранирующий узел содержит сталь.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный магнитный узел содержит магнитный элемент.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что магнитная ориентация указанного магнитного элемента, по существу, совпадает с осью, распространяющейся между указанными ближним и дальним концами.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что указанный магнитный узел содержит далее полюсный наконечник, расположенный смежно с указанным магнитным элементом.

7. Экранированное электромеханическое устройство для использования в массовом расходомере кориолисова типа для взаимного преобразования механической и электрической энергии, содержащее ближний конец и дальний конец, узел обмотки, соединенный с указанным дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла, отличающееся тем, что магнитный узел включает первый и второй магнитные элементы и полюсный наконечник, указанный полюсный наконечник расположен смежно с указанным первым магнитным элементом, а указанный второй магнитный элемент расположен смежно с указанным полюсным наконечником.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что магнитная ориентация указанных первого и второго магнитных элементов, по существу, совпадает с осью, распространяющейся между указанным ближним и указанным дальним концами.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанные магнитные ориентации указанных первого и второго магнитных элементов направлены в противоположные стороны.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что первый и второй магнитные элементы и указанный полюсный наконечник расположены на указанной оси, распространяющейся между указанными ближним и дальним концами.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что содержит далее концевые полюсные наконечники, размещенные смежно с каждым из указанных первым и вторым магнитными элементами, причем указанные полюсные наконечники расположены на указанной оси, распространяющейся между указанными ближним и дальним концами.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что указанный полюсный наконечник и указанные концевые полюсные наконечники содержат высокопроницаемый материал.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что высокопроницаемый материал являются сталью.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный узел обмотки определяют внутреннюю полость, причем указанный магнитный узел расположен внутри указанной полости.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что указанный узел обмотки, по существу, цилиндрический и магнитно взаимодействует с указанным магнитным узлом.

16. Массовый расходомер кориолисова типа, содержащий супорт, две непрерывные параллельные петли из труб, прочно закрепленных у своих впускных и выпускных концов на суппорте, экранированное электромагнитное устройство привода, расположеное между указанных петель, действующее на указанные петли для их колебания возле соответствующих осей колебания, причем указанное экранированное устройство привода содержит ближний конец, прикрепленный к одной из указанных петель, и дальний конец, прикрепленный к другой из указанных петель, узел обмотки, соединенный с указанным дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла, причем указанный экранирующий узел включает ближний экран, прикрепленный к указанному ближнему концу, и дальний экран, прикрепленный к указанному дальнему концу, отличающийся тем, что один из указанных экранов приспособлен входить внутрь другого из указанных экранов и перемещаться относительно него, датчик, приспособленный для измерения величины сил Кориолиса, возникающих в результате того, что массовый поток на участке указанной петли подвергаются колебательному движению.

17. Расходомер по п.16, отличающийся тем, что указанный датчик содержит ближний конец и дальний конец, узел обмотки, соединенный с указанным дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла.

18. Массовый расходомер кориолисова типа, содержащий суппорт, непрерывную петлю трубопровода, прочно прикрепленную у своих впускного и выпускного концов к суппорту, экранированное электромагнитное устройство привода, действующее на указанную петлю для ее колебания возле оси колебания, содержащее ближний конец и дальний конец, узел обмотки, соединенный с указанным дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла, и датчик, приспособленный для измерения величины сил Кориолиса, возникающих в результате того, что массовый поток на участке указанной петли подвергается колебательному движению, содержащий ближний конец и дальний конец, узел обмотки, соединенный с указанным дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла, отличающийся тем, что указанное устройство привода и указанный датчик находятся на указанной петле рядом друг с другом.

19. Расходомер по п.18, отличающийся тем, что содержит далее вторую непрерывную петлю трубопровода, прочно прикрепленную у своих впускного и выпускного концов к суппорту.

20. Расходомер по п.19, отличающийся тем, что указанная петля и указанная вторая петля, по существу, параллельны.

21. Расходомер по п.19, отличающийся тем, что указанное устройство привода и датчик расположены между указанной петлей и указанной второй петлей.

22. Расходомер по п.21, отличающийся тем, что ближние концы указанных устройства привода и датчика соединены с одной из указанных петель, а дальние концы указанных устройства привода и датчика соединены с другой из указанных петель.

23. Массовый расходомер кориолисова типа, содержащий суппорт, непрерывную петлю трубопровода, прочно прикрепленную у своих впускного и выпускного концов к суппорту, экранированное устройство привода, действующее на указанную петлю для ее колебания возле оси колебания, содержащее ближний конец и дальний конец, узел обмотки, соединенный с указанным дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла, и датчик, приспособленный для измерения величины сил Кориолиса, возникающих в результате того, что массовый поток на участке указанной петли подвергаются колебательному движению, содержащий ближний конец и дальний конец, узел обмотки, соединенный с указанным дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла, отличающийся тем, что содержит далее вторую непрерывную петлю трубопровода, прочно прикрепленную у своих впускного и выпускного концов к суппорту, указанные устройство привода и датчик расположены между указанной петлей и указанной второй петлей, ближние концы указанных устройства привода и датчика соединены с одной из указанных петель, а дальние концы указанных устройства привода и датчика соединены с другой из указанных петель, указанные устройство привода и датчик расположены рядом друг с другом.

24. Массовый расходомер кориолисова типа, содержащий суппорт, непрерывную петлю трубопровода, прочно прикрепленную у своих впускного и выпускного концов к суппорту, экранированное электромагнитное устройство привода, действующее на указанную петлю для колебания указанной петли возле оси колебания, содержащее ближний и дальний концы, узел обмотки, соединенный с дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла, и датчик, приспособленный для измерения величины сил Кориолиса, возникающих в результате того, что массовый поток на участке указанной петли подвергается колебательному движению, содержащий ближней конец и дальний конец, узел обмотки, соединенный с указанным дальним концом, магнитный узел, соединенный с указанным ближним концом, приспособленный взаимодействовать с указанным узлом обмотки, и экранирующий узел, окружающий указанный узел обмотки и указанный магнитный узел, приспособленный уменьшать магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла, отличающийся тем, что содержит второе устройство привода и второй датчик, причем указанные устройства привода приводят в действие указанную петлю в различных точках вдоль петли возле оси колебания.

25. Расходомер по п.24, отличающийся тем, что участок указанной петли между указанной парой устройств привода представляет, по существу, прямую секцию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромагнитным устройствам привода для массовых расходомеров с колебательными трубопроводами кориолисова типа.

В ответ на необходимость измерять количество материала, подаваемого по трубопроводам, был разработан ряд типов расходомеров на различных принципах. Один из наиболее широко используемых типов расходомеров основан на объемном потоке. При определении количества подаваемого материала там, где плотность материала с температурой или подачей изменяется, или там, где текучая среда, накачиваемая через трубопровод, многофазная, такая как шлам, либо там, где текучая среда является не ньютоновской, такой как майонез и другие пищевые продукты, объемные расходомеры в лучшем случае неточны. Кроме того, объемными расходомерами неудобно обслуживать химические реакции, которые являются следствием массовых реакций, где пропорции реактантов критичны.

С другой стороны, массовый расходомер представляет прибор, который обеспечивает непосредственную индикацию массы, в противоположность объему материала, подаваемого по трубопроводу. Различные способы измерения массового потока в движения требуют приложения к потоку силы и детектирования и измерения некоторых последствий приложения силы.

Один класс измерительных массовых расходомеров основан на хорошо известном эффекте Кориолиса. Пример массового расходомера кориолисова типа раскрыт в находящейся на одновременном рассмотрении патентной заявке США N 923847, поданной 28 октября 1986 г. Маттаром и др., озаглавленной "Массовый расходомер кориолисова типа", переуступленной правопреемнику настоящего изобретения и целиком включенной сюда посредством ссылки.

Многие массовые расходомеры кориолисова типа создают силу Кориолиса посредством синусоидального колебания трубопровода возле оси поворота, ортогональной к длине трубопровода. В таком массовом расходометре силы Кориолиса выражаются в радиальном перемещении массы во вращающемся трубопроводе. Материал, протекающий через трубопровод, становится радиально перемещающейся массой, которая, следовательно, подвергается ускорению. Реакция силы Кориолиса, испытываемая перемещающейся массой текучей среды, передается самому трубопроводу и выражается в виде отклонения или смещения трубопровода в направлении вектора силы Кориолиса в плоскости поворота.

Основной трудностью в этих колебательных системах является то, что сила Кориолиса, а следовательно, и результирующее отклонение, мала по сравнению не только с усилием привода, но даже с посторонними вибрациями. С другой стороны, колебательная система может использовать свойства упругого изгиба самого трубопровода для колебаний, что устраняет необходимость в отдельных поворотных или гибких соединениях и повышает механическую надежность и долговечность расходомера. Кроме того, колебательная система предлагает возможность использования резонансной частоты вибрации самой трубы, чтобы уменьшить необходимую энергию привода.

Энергия прикладывается к трубам механизмом привода, который колеблет их путем приложения периодического усилия. Типичным примером типа механизма привода является электромеханический привод, который создает перемещение, пропорциональное напряжению, прикладываемому к обмотке. В колебательном расходомере прикладываемое напряжение является периодическим и в общем синусоидальном. Как упомянуто выше, чтобы уменьшить энергию, необходимую для создания колебаний, период входного напряжения и, следовательно, усилия привода, выбираются так, чтобы соответствовать резонансной частоте трубы.

Сила Кориолиса, создаваемая в результате колебаний, и поток массы внутри трубы измеряются датчиками, также расположенными на трубе расходомера. В некоторых случаях желательно устанавливать датчики в тесной близости к механизму привода. Например, в некоторых системах такое устройство выражается в более точном определении силы Кориолиса, создаваемой трубой расходомера.

Целью настоящего изобретения является улучшение характеристик электромагнитных устройств привода и датчиков. Более точно, целью является устранение магнитных перекрестных искажений между устройствами привода и близко расположенными датчиками, чтобы повысить чувствительность комбинации привод/датчик.

В соответствии с изобретением экранированное электромеханическое устройство привода для использования в массовом расходомере кориолисова типа с взаимным преобразованием механической и электрической энергии включает ближний конец и дальний конец и приспособлено для перемещения относительно ближнего конца. К дальнему концу присоединен узел обмотки, а к ближнему концу - магнит. Узел обмотки определяет внутреннюю полость. Узел обмотки содержит, по меньшей мере, один магнитный элемент, присоединенный к ближнему концу, и имеет, по меньшей мере, один магнитный элемент с магнитной ориентацией, совпадающий, по существу, с осью, соединяющей ближний и дальний концы. Внутри полости расположен магнитный узел, приспособленный магнитно взаимодействовать с указанным узлом обработки. Узел обработки окружен экранирующим узлом, который приспособлен так, чтобы уменьшить магнитное поле снаружи указанного экранирующего узла.

В другом примере реализации изобретение экранированное электромеханическое устройство приспособлено так, чтобы преобразовать механическую энергию в электрическую. Механическая энергия прикладывается к устройству посредством перемещения магнитного узла относительно узла обмотки, а узле обмотки в ответ на механическое перемещение вырабатывает электрическую энергию.

В другом примере реализации экранированное электромагнитное устройство приспособлено так, чтобы преобразовать электрическую энергию в механическую. Электрическая энергия прикладывается к узлу обмотки, а магнитный узел перемещается в ответ на электрическую энергию относительно обмотки.

В другом примере реализации экранирующий узел включает далее ближний экран и дальний экран, ближний экран прикреплен к ближнему концу, а дальний экран - к дальнему концу электромеханического устройства.

В предпочтительном примере реализации и как другой аспект изобретения один из экранов приспособлен так, чтобы находиться внутри другого из экранов и перемещаться относительно него.

В другом примере реализации экранирующий узел выполнен из магнитопроницаемого материала, такого как сталь.

В другом примере реализации магнитный узел состоит из магнитного элемента. Магнитная ориентация магнитного элемента, по существу, совпадает с осью, распространяющейся между ближним и дальним концами.

В другом примере реализации магнитный узел включает далее полюсный наконечник, расположенный смежно с указанным первым магнитным элементом.

В другом примере реализации магнитный узел включает далее второй магнитный элемент. Магнитная ориентация второго магнитного элемента, по существу, совпадает с указанной осью, распространяющейся между указанными ближним и дальним концами.

В относительном аспекте магнитные ориентации указанных первого и второго магнитных элементов имеют противоположные направления. Магнитный узел включает далее полюсный наконечник, расположенный между указанными первым и вторым магнитными элементами. Полюсный наконечник выполнен из высокопроницаемого материала.

В других относительных аспектах узел обмотки определяет внутреннюю полость, причем магнитный узел расположен внутри полости. Узел обмотки, по существу, цилиндрический и взаимодействует магнитным образом с магнитным узлом.

В другом аспекте изобретения массовый расходомер кориолисова типа включает суппорт и непрерывную петлю трубопровода, прочно прикрепленного у своего впускного и выпускного концов к суппорту. На петлю действует экранированное электромагнитное устройство привода, которое колеблет петлю возле оси колебания. Датчик приспособлен измерять величины сил Кориолиса, возникающих в результате того, что массовый поток в части петли подвергается колебательному движению. Экранированное электромагнитное устройство привода включает ближний и дальний концы. Узел обмотки присоединен к дальнему концу, а магнитный узел - к ближнему концу и приспособлен взаимодействовать с узлом обмотки. Узел обмотки и магнитный узел окружены экранирующим узлом. Экранирующий узел приспособлен, чтобы уменьшать магнитное поле снаружи экранирующего узла.

В другом примере реализации датчик включает ближний и дальний концы. Узел обмотки присоединен к дальнему концу, а магнитный узел - к ближнему концу и приспособлен взаимодействовать с узлом обмотки. Узел обмотки и магнитный узел окружены экранирующим узлом, приспособленными, чтобы уменьшить магнитное поле снаружи экранирующего узла.

В следующем примере реализации устройство привода и датчик расположены на петле рядом друг с другом. Расходомер может включать вторую непрерывную петлю трубопровода, прочно прикрепленную у своих впускного и выпускного концов к суппорту. Первая и вторая непрерывные петли трубопровода, по существу, параллельны. Устройство привода и датчик расположены между двух петель.

В другом примере реализации изобретения расходомер включает второе устройство привода и второй датчик. Устройства привода приводят в движение петлю оси колебания в различных точках вдоль петли.

Еще в одном примере реализации изобретения участок петли между парой устройств привода является, по существу, прямолинейным.

Фиг. 1 представляет перспективный вид массового расходомера кориолисова типа;

фиг.2 - схематичный вид устройства по фиг.1;

фиг.3 - схематичное изображение трех режимов движения устройства по фиг. 1 и 2;

фиг. 4 - разрез электромеханического устройства привода в соответствии с изобретением;

фиг.5 - схематичное изображение варианта примера реализации электромеханического устройства привода по фиг.4;

фиг.6 - разрез электромеханического датчика в соответствии с изобретением.

Здесь раскрывается специфическая трубчатая конфигурация с перпендикулярной ориентацией к направлению потока процесса, т.е. к направлению потока в прямой секции трубопровода, в который должен вводиться материал. Изобретение приемлемо для линейных и других трубчатых конфигураций. Иллюстрируемые здесь примеры реализации рассчитаны на расходомеры для разнообразных продуктов, включающих, например, топливо, основанное на нефти. Раскрываемые здесь расходомер и электромеханическое устройство привода пригодны, разумеется, для широкого разнообразия других специфических конструкций и тех же самых или иных применений.

Фиг. 1 иллюстрирует двойную петлю системы с двумя приводами/детекторами, главным образом с торсионной нагрузкой концов труб, где они соединяются с единым жестким коллектором, включаемым в линию с потоком процесса. Один и тот же пример реализации изображен на фиг.1 и 2.

Массовый расходомер 10 по фиг.1 и 2 рассчитан на то, чтобы вставляться в трубопровод (не показанный), у которого небольшой участок исключен или зарезервирован, чтобы создать пространство для измерителя. Трубопровод снабжается противолежащими разнесенными фланцами (не показанными), которые соответствуют установочным фланцем 12, приваренным к коротким участкам трубы 14, соединенным с блоком центрального коллектора 16, поддерживающим две плоские параллельные петли 18 и 20. Конфигурация и форма петель 18 и 20, по существу, идентичны.

Таким образом, описание формы петли 18 справедливо также для петли 20, за исключением того, где это указано. Блок коллектора 16 предпочтительно представляет литье прямоугольной формы в виде твердого прямоугольного блока с плоской горизонтальной верхней поверхностью или крышкой 21 и встроенными секциями труб 14. Чтобы уменьшить вес, различные части блока коллектора могут быть удалены. Концы петли 18 содержат прямые предпочтительно вертикальные параллельные впускную и выпускную секции или ноги 22 и 24 прочно прикрепленные, например, сваркой встык к верхушке поверхности коллектора 21 в тесной близости друг к другу. Основание петли 18 представляет удлиненную прямую секцию 26, проходящую под нижней поверхностью блока коллектора 16. Удлиненная прямая секция 26 основания петли 18 соединена с идущими вверх ногами 22 и 24 соответствующими диагональными секциями 30 и 32. Четыре соединения между различными прямыми отрезками петли 18 закруглены с большими радиусами, чтобы обеспечить по возможности малое сопротивление потоку. В частности, идущие вверх ноги 22 и 24 соединены с соответствующими диагональными отрезками 30 и 32 посредством выпуклых витков 34 и 36. Концы удлиненного прямого участка основания 26 соединены с соответствующими концами диагональных элементов 30 и 32 посредством нижних закругленных витков 38 и 40.

параллельные впускная/выпускная секции 22, 24 обеих петель 18 и 20 проходят через изолирующие пластины или узловые пластины 42 и 44 с соответствующими отверстиями, которые параллельны верхней поверхности коллектора 21 и разнесены с ней на предопределенное расстояние. Приваренные к трубам узловые пластины служат как пластины изоляции удара и определяют общую механическую группу для каждой петли.

Узлы электромеханического привода и датчиков прикреплены между петлями 18 и 20 на каждом из нижних закругленных витков 38 и 40. Каждый узел состоит из электромагнитного привода 46 и датчика 48, расположенных близко друг к другу между петлями 18 и 20. Электрические сигналы передаются от схемы привода и детектирования (не показанной0 к устройствам привода и датчикам по проволочным выводам 50-53, которые идут вдоль наружной стороны труб через изолирующие пластины с отверстиями 42 и 44 и подсоединяются к электрическому разъему 54.

При питании пары устройств привода 46 на противоположных концах труб током равной величины, но противоположного знака (расфазированного на 180^o), прямая секция 26 заставляет поворачиваться возле ее перпендикулярного бисектора 56, лежащего в той же плоскости, который пересекает трубу в точке "c", как показано на фиг.2.

Таким образом, приводящий в движение поворот предпочтительно производится в горизонтальной плоскости в точке "c". Перпендикулярные бисекторы для прямых секций обеих петель предпочтительно лежат в их общей плоскости симметрии.

Повторно реверсируясь (т.е. изменяясь синусоидально), возбуждающий ток устройство привода заставляет прямую секцию 26 петли 18 выполнять колебательное движение в горизонтальной плоскости возле линии 56-56. Движение каждой прямой секции 26 вырисовывает форму бабочки. Общий боковой ход петли у нижних закругленных витков 38 и 40 мал - порядка 1/16 дюйма (1,6 мм) для прямой секции 26 длиной два фута (610 мм) и трубы в один дюйм (25,4 мм). Это перемещение передается идущим вверх параллельным ногам 22 и 24, начинающимся возле узловых пластин 44, в виде торсионных отклонений вокруг их осей. В прямой секции петли 20 создаются дополняющие колебания.

Движения прямых петель 18 т 20 изображены в трех режимах на фиг.3a, b и c. В режиме привода, как показан на фиг.3b, каждая петля трубопровода колеблется возле точки "c". Две петли поворачиваются синхронно, но в противоположных направлениях, т.е., когда петли 18 поворачиваются по часовой стрелке, петля 20 поворачивается против часовой стрелки. Иначе говоря, петли приводятся в движение возле их соответствующих точек "c" расфазированными на 180^o. Следовательно, соответствующие концы, такие как A и C, изображенные на фиг. 3, периодически сходятся и расходятся. Этот тип приводного движения создает эффекты Кориолиса в направлениях, показанных на фиг.3a.

Таким образом, движение в режиме Кориолиса стремится сдвинуть всю плоскость петель 18 и 20. Эффект Кориолиса наибольший, когда две прямые секции 26 параллельны, как показано на фиг.3a, так как при этом синусоидально изменяющаяся угловая скорость максимальна. Поэтому движение каждой петли в режиме Кориолиса происходит в противоположном направлении, прямые секции 26 перемещаются немного вперед (или в сторону) друг от друга, как показано на фиг. 3a. Движение в общем режиме, нежелательное в данном приборе, является таким, при котором петли отклоняются в одном и том же направлении, как показано на фиг. 3c. Этот тип движения может создаваться аксиальной волной в самом трубопроводе в примере реализации по фиг.1, так как петли ориентированы перпендикулярно трубопроводу.

Датчики 48 детектируют колебательное движение прямых секций труб и выдают сигнал, который характеризует силу колебательного привода, модулированную силой реакции Кориолиса, создаваемой текучей средой, подвергающейся ускорению. Вследствие тесной близости устройства привода 46 и датчика 48 должны быть предприняты специальные меры предосторожности, чтобы предотвратить возникновение магнитной взаимосвязи. Т.е. магнитное поле устройства привода 46 может наводить напряжение в датчике 48, создавая паразитный сигнал. Предпочтительно использовать экранированное устройство привода и датчик, чтобы предотвратить возникновение магнитной взаимосвязи.

Экранированное устройство привода.

Сошлемся на фиг.4, на котором изображен предпочтительный пример реализации узла датчика 46. Экранированное устройство привода рассчитано на то, чтобы взаимно преобразовывать электрическую и механическую энергию. В частности, устройство привода эффективно преобразует электрическую энергию (т.е. электрические сигналы) в механическую энергию (т.е. механическое движение). Узел 46 состоит из ближнего конца 62, прикрепленного к трубопроводу потока 18ближней крепежной скобой 64, и дальнего конца 66, прикрепленного к трубопроводу потока 20 дальней крепежной скобой 68.

Ближний конец 62 состоит из магнитного узла 72, расположенного внутри ближнего экрана 70. Ближний экран выполнен из мягкой углеродистой стали и имеет чашкообразную форму с цилиндрической стенкой 71 и плоским дном 73, которое прикреплено к ближней крепежной скобе 64. Размеры ближнего экрана определяются размерами и формой всего узла привода. Ближний экран 70 действует как обратный путь, помогая сосредоточить магнитный поток внутри магнитного узла. В центре экрана 70 расположен удлиненный магнитный узел 72, имеющий пару магнитов 75 и 76, разделенных центральным полюсным наконечником 78.

Магнитная ориентация магнитов совпадает с осью 80-80, определяемой узлом привода, и противоположна по направлению. Т.е. магнитная ориентация магнитов 75 и 76 антипараллельна. В примере реализации, изображенном на фиг.4, магниты ориентированы северными полюсами, обращенными к центральному полюсному наконечнику 78. Специалистам в данной области техники понятно, что может применяться другая ориентация, например, к центральному полюсному наконечнику могут быть обращены южные полюса магнитов. Полюсный наконечник может быть выполнен из любого магнитного приемлемого материала, как известно, в данной области техники. Предпочтительным материалом является мягкая углеродистая сталь. Это устройство магнитов 75, 76 и центрального полюсного наконечника 78 сосредотачивает магнитный поток внутри небольшой области вблизи полюсного наконечника для максимального взаимодействия с узлом обмотки 82.

Дальний конец 66 узла привода 60 состоит из узла обмотки 82, расположенного внутри дальнего экрана 84. Узел обмотки содержит носитель обмотки 86, который на своем дальнем конце прикреплен к дальнему экрану 84, который крепится далее к дальней крепежной скобе 68 немагнитной заклепкой 106 для соединения с трубопроводом потока 20. На ближнем конце носителя обмотки 86 образована как единой целое катушка 94. Чтобы свести к минимуму образование вихревых токов, носитель обмотки может быть выполнен из непроводящего материала. Катушка 94 имеет намотанную на ней проволочную обмотку 96, образующую электромагнитную обмотку 98. Обмотка и носитель обмотки определяют внутреннюю полость 100, имеющую в общем цилиндрическую секцию 102 и усеченно-конически дальний участок 104, который сужается от цилиндрического участка 102, чтобы принять заклепку 106. В общем цилиндрическая внутренняя полость имеет размер, достаточный для того, чтобы позволить свободное перемещение магнитного узла и обеспечить максимальное взаимодействие между узлом обмотки и магнитным полем, выходящим из магнитного узла. Ближний и дальний экраны сконструированы так, чтобы перемещаться друг относительно друга и минимизировать магнитный поток, выходящий из устройства. Это достигается приданием ближнему и дальнему экранам в общем цилиндрической формы и перекрыванием одного другим, так что один из элементов может входить внутрь другого и свободно перемещаться там. Иначе говоря, экраны образуют телескопическое устройство, в котором один их экранов входит внутрь другого.

В примере реализации, изображенном на фиг.4, экранирующие элементы цилиндрические, ближний элемент имеет меньший радиус, нежели дальний и приспособлен входит внутрь и перемещаться относительно дальнего конца вдоль оси 80-80, определяемой цилиндрической формой экранов. Экраны совместно минимизируют утечку магнитного потока из устройства и в устройство путем создания экранированного и закрытого магнитного узла. В цилиндрической поверхности дальнего экрана может быть сделан вырез (не показанный), чтобы предотвратить образование вихревых токов, которые могут увеличить магнитный поток. Отсутствие магнитного потока снаружи позволяет близко располагать любое число устройств привода и датчиков без проблемы магнитной взаимосвязи. Близкорасположенные устройства привода и датчики магнитно не будут влиять друг на друга. Следующим достоинством этого устройства является повышение линейности, которая является результатом многоэлементного магнитного узла. Перемещение ближнего и дальнего концов относительно друг друга вследствие приводного тока в обмотке не изменит значительно постоянное магнитное поле, и, следовательно, будут достигнуты линейные силы привода.

На фиг.5 изображен другой пример реализации электромагнитного устройства привода. Устройство привода 110 состоит из удлиненного экрана из мягкой углеродистой стали 112, имеющего цилиндрическое сечение перпендикулярно оси элемента 114-114. Экран имеет участки 116-118, которые уменьшают открытую область у каждого конца экрана и обеспечивают отверстие, через которое перемещается удлиненный магнитный элемент 120. На внутренней поверхности 122 экрана имеется кольцевое ребро 124, выступающее к центру экрана. На кольцевом ребре 124 укреплена электромеханическая обмотка 126. Удлиненный магнитный элемент 120 расположен посредине внутри экрана 112. Магнитный элемент 120 состоит из двух магнитов 128 и 130 и трех полюсных наконечников 132, 134 и 136. Два магнита 128 и 130 расположены на противоположных сторонах от центрального полюсного наконечника 132 так, что их магнитные ориентации противоположны по отношению друг к другу и параллельны оси 114-114 магнитного элемента. В примере реализации по фиг.5 друг к другу направлены северные полюса каждого магнита 128 и 130. Однако, если необходимо, друг к другу могут быть направлены южные полюса магнитов. На концах каждого магнита 128, 130, противоположных полюсному наконечнику 132, прикреплены полюсные наконечники 134 и 136, соответственно. Полюсные наконечники 132, 134 и 136 и магниты 128, 130 образуют совместно удлиненный магнитный узел, который обладает высокой эффективностью и линейностью.

Конструкция электромагнитного устройства основана на том, что от устройства привода должна быть получена максимальная сила при минимальной величине тока, подаваемого в обмотку.

Уравнение, определяющее силу будет

F = NIlB,

где

F - сила (ньютон);

N - число витков обмотки;

l - длина среднего витка обмотки (м);

I - ток обмотки (A);

B - плотность радиального потока (тесла).

Для того, чтобы сделать B максимальным и все еще сохранить линейность силы, должны использоваться два магнита, соединенных одинаковыми сторонами, с плоскими наконечниками, как показано на фиг.4 и 5. В этих конфигурациях поток заставляется концентрироваться радиально в область, занимаемую обмоткой. Когда постоянный магнит движется, воздушные зазоры между полюсными наконечниками и экраном не изменяются, что снижает нелинейность конструкции.

Пример реализации по фиг.5 состоит из оболочки, выполненной из мягкой углеродистой стали, трех полюсных наконечников, двух постоянных магнитов и обмотки. Цель данного примера реализация - сфокусировать радиальный поток в область обмотки и, таким образом, получить максимальную силу привода для данного тока обмотки.

Для вычисления индуктивности обмотки, а также среднего радиального потока в области обмотки, была применена программа анализа ограниченного элемента. Затем эта модель была использована, чтобы оптимизировать электромагнитную конструкцию и достичь максимальной силы для установленного значения тока.

В цифровой модели величина, использованная для проницаемости мягкой углеродистой стали, составляла 100, а для постоянного магнита и воздуха была 1. Остаточная магнитная индукция используемого постоянного магнита была 0,9 тесла. Результат вычисления дал среднюю плотность потока 477,2 миллитесла. Индуктивность обмотки была также вычислена ее моделированием как полоски магнита, размещенного в центре узла. Снова была запущена программа ограниченного элемента, чтобы вычислить распределение потока для моделированной обмотки. Затем была запущена программа регрессии, чтобы получить математическое соотношение между потоком и радиальным расстоянием. Было использовано геометрическое соотношение виде

Y = KXⁿ,

где

Y - представляет поток; X - расстояние; K и n - компоненты, устанавливаемые программой регрессии.

Из уравнения (2) был вычислен средний поток и определено эффективное радиальное расстояние. Это эффективное расстояние было использовано для того, чтобы оценить эффективную кольцевую область потока обмотки /Am/, а также эффективную длину пути потока обмотки /lm/. Затем из этих двух факторов была вычислена индуктивность /L/

L = N²Am/lm, (3) ,

где

N - число витков обмотки; - проницаемость свободного пространства, результат для фиг.5 дает значение 7,465 мГн для N = 450 витков.

Чтобы проверить результаты моделирования, электромагнитное устройство было построено. Воздушный зазор между полюсными наконечниками и оболочкой был заменен пластиковой трубкой, которая была приспособлена под обмотку и удерживала узел отцентрованным. Чтобы создать узел обмотки, на этой трубке был намотан провод с общим числом витков 450. В одном конце оболочки было выполнено небольшое отверстие (отверстие 104 на фиг.4) для вставления пробника на эффекте Холла с целью измерения плотности потока. Были использованы два редкоземельных магнита с остаточной индукцией от 0,85 до 0,93 тесла. Размеры магнитов составляли 20 мм в диаметре и 10 мм по длине. Максимальная измеренная плотность потока была около 500 Гаусс. Индуктивность, измеренная мостиком импедансов, составляла 7,75 мГн.

Экспериментальные результаты были очень близки к результатам, предсказанным методом ограниченного элемента, и обеспечили большее доверие к теоретической работе. Существенно, безопасный расходомер должен иметь низкий предел тока, чтобы удовлетворить требования безопасности, чтобы этот прибор не мог поджечь газ в воспламеняемой окружающей среде. Имеется много факторов, которые определяют величину подаваемого тока, таких как индуктивность обмотки, сопротивление, барьерное сопротивление, напряжение питания, характеристики проводов и т.д. В больших массовых расходомерах кориолисова типа, таких как те, что имеют трубопроводы потока диаметром три дюйма (76,2 мм), если трубы толстые и короткие (что необходимо для компактной конструкции), нужна большая сила привода. Это требует большой величины подаваемого тока, которая может нарушать условия безопасности. Единственный альтернативный способ сделать, чтобы измеритель требовал небольшую силу - это использовать длинные трубы с очень тонкими стенками. В этом случае конструкция прибора не будет компактной и не будет приемлема для высоких давлений. Следовательно, достоинство использования новой конструкции электромагнитного устройства очевидно, так как оно обеспечивает большую силу при небольшом токе и позволяет прибору быть компактным и прочным.

Экранированный датчик.

Узел экранированного датчика 48, который аналогичен устройству привода 46, изображен на фиг.6. Узел экранированного датчика подобно экранированному устройству привода рассчитан на взаимное преобразование электрической и механической энергии. Однако датчик в противоположность электромеханическому приводу эффективно преобразует механическую энергию (механическое движение) в электрическую энергию (электрические сигналы). Узел экранированного датчика состоит из ближнего конца 152, прикрепленного к трубопроводу потока 18 ближней крепежной скобой 154, и дальнего конца 156, прикрепленного к трубопроводу потока 20 дальней крепежной скобой 158.

Ближний конец 152 состоит из узла обмотки 162", установленной внутри ближнего экрана 160 с помощью немагнитной заклепки 162. Экран выполнен из мягкой углеродистой стали и имеет форму чашки с цилиндрической стенкой 161 и плоским дном 163, прикрепленным к ближней крепежной скобе 154. Размеры ближнего экранирующего элемента определяются размерами и формой всего узла датчика. На дальнем конце узла обмотки находится выполненная как одно целое катушка 169 с намотанной на ней проволочной обмоткой, образующая электромагнитную обмотку 171. Узел обмотки может быть сконструирован из немагнитного материала, чтобы предотвратить образование вихревых токов. Узел обмотки определяет внутреннюю полость, имеющую в общем цилиндрические участки 179, 171 и усеченно-конические участки 172, 173, которые сужаются от цилиндрического участка 170 к отверстию 166, приспособленному под заклепку 162. В общем цилиндрическая внутренняя полость достаточно большая, чтобы позволить перемещение магнитного узла, но небольшая, чтобы обеспечить максимальное взаимодействие между узлом обмотки и магнитным полем, выходящим из магнитного узла.

Дальний конец 156 состоит из дальнего экранирующего элемента 176 и магнитного узла 178, расположенного внутри дальнего экрана. Экранирующий элемент 176 выполнен из мягкой углеродистой стали и имеет в общем форму чашки с цилиндрической стенкой 180 и плоским дном 182, которое прикреплено к дальней крепежной скобе 158. Размеры дальнего экрана определяются размерами и формой всего узла датчика. В центре экранирующего элемента 176 находится удлиненный магнитный узел 178 с магнитом 182 и полюсным наконечником 184. Магнитная ориентация лежит вдоль оси 186-186, определяемой узлом датчика.

Подобно рассмотренному выше экранированному устройству привода ближний и дальний экранирующие элементы экранированного датчика рассчитаны так, чтобы перемещаться друг относительно друга и минимизировать магнитный поток, выходящий из устройства и входящий в него. Это достигается приданием ближнему и дальнему экранирующим элементам цилиндрической формы, так что экранирующие элементы образуют телескопическое устройство, в котором один из экранирующих элементов входить внутрь другого и перемещается там. В примере реализации, изображенном на фиг.6, элементы цилиндрические и дальний экранирующий элемент имеет меньший радиус, нежели ближний экранирующий элемент, и приспособлен входить внутрь ближнего экранирующего элемента и перемещаться вдоль оси. Экранирующие элементы совместно минимизируют утечку магнитного потока устройства посредством образования экранированного и закрытого магнитного узла. Отсутствие наружного магнитного потока позволяет близко располагать любое число устройства привода и датчиков без проблем взаимосвязи. Близкорасположенные приводы и датчики магнитно не влияют друг на друга.

Без отделения от духа и сути изобретения, которые устанавливаются в формуле изобретения, могут быть выполнены многие иные модификации, дополнения иллюстрируемых примеров и/или отдельных элементов из них.